JP2012524242A - Ｐｃｒ反応をリアルタイムで監視するための光検出システム - Google Patents

Abstract

本発明は、複数の試料チャンバ（１０１−１０４）中のＰＣＲ反応を複数の光学ユニット（１０６，１０７）によってリアルタイムで監視する光検出システムに関する。各光学ユニットが各試料チャンバに対して相対運動することにより、色多重の効果と空間多重の効果とが組み合わされ、ＰＣＲ反応の期間内で試料中の病原体を光学的に検出して定量結果を出力することができる。

Description

関連出願へのクロスリファレンス
本願は、２００９年４月１５日付欧州出願ＥＰ０９１５７９１０．２の優先権を主張する。この出願の内容は参照によりすべて本願に組み込まれるものとする。

発明の属する技術分野
本発明は光検出システムに関する。本発明は、特に、少なくとも２つの異なる試料チャンバ中の複数の試料成分を検出する光多重システム、少なくとも２つの異なる試料チャンバ中の複数の試料成分を検出する方法、コンピュータプログラムエレメント、ならびに、コンピュータで読み出し可能な媒体に関する。

発明の背景
ポリメラーゼ連鎖反応ＰＣＲは分子生物学の分野で広汎に利用されている技術である。この技術の名称は、鍵となる１つの成分、すなわち、試験管内の酵素複製によってＤＮＡ片を増幅するデオキシリボ核酸ＤＮＡのポリメラーゼに由来している。ＰＣＲが進行すると、形成されたＤＮＡは複製のテンプレートとして用いられる。これにより、ＤＮＡテンプレートが指数的に増幅されるという連鎖反応が生じる。ＰＣＲにより、１個または数個のみのＤＮＡ片を数オーダーの規模で増幅して、数１００万個以上のＤＮＡ片の複製を得ることができる。なお、ＰＣＲは、遺伝子操作技術の種々の手法を実行するために集中的に修正可能である。

ここで、実験機器として、熱サイクル装置が、ＰＣＲプロセスによってＤＮＡ片を増幅するために用いられる。熱サイクル装置はカートリッジまたは試料チャンバ内の試料周辺の温度をあらかじめプログラミングされた離散的な刻み幅で昇降させるものである。

分子生物学では、ＰＣＲ反応に基づいて目標ＤＮＡ分子の増幅および定量化を行う実験技術が、リアルタイムＰＣＲ（以下ｒｔＰＣＲと称する）あるいは定量的リアルタイムＰＣＲと称されて用いられている。これによりＤＮＡ試料中の特定の配列の識別および定量化が可能となる。

発明の開示
本発明の課題は、試料成分を検出する手法を改善することである。

定義
試料チャンバ：本発明においては、試料、特に液体試料を収容できるものであれば、カートリッジ、チューブ、コンテナなどのいずれの形態の容器であっても、"試料チャンバ"と称する。特に、ＰＣＲチャンバとしてのカートリッジ、チューブ、コンテナは、所望の透光性を有するか、あるいは、ポリプロピレンまたはその他の熱可塑性ポリマーなどの材料から形成され、"試料チャンバ"に含まれる概念として用いられる。

光源：本発明においては、単色電磁場または広帯域電磁場を放出するデバイスは、どのような形態であれ、"光源"であると理解されたい。また、同一または種々の、周波数、偏光度、光量、入力電力などの特性や光子を放出する技術を有する複数の光源のアレイも、本発明の"光源"に含まれる。例えば、ここでの"光源"には、発光ダイオード（ＬＥＤ），有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ），ポリマー発光ダイオード（ＰＬＥＤ），量子点ベースの光源、白色光源、ハロゲンランプ、レーザー、ソリッドステートレーザー、レーザーダイオード、マイクロ波レーザー、ダイオードソリッドステートレーザー、ヴァーティカルキャビティ表面発光レーザー、リン被覆発光ダイオード，薄膜エレクトロルミネセンスデバイス、蛍光有機発光ダイオード，無機／有機発光ダイオード，量子点技術を利用した発光ダイオードおよび発光ダイオードアレイ、発光ダイオードフラッドライト装置、白色発光ダイオード，白熱灯、アーク灯、ガスランプ、蛍光管などが含まれる。

検出器：本発明の"検出器"には、電磁放射を検出することのできるすべてのデバイスが含まれる。例えば、チャージカプルドデバイス（ＣＣＤ），フォトダイオード、フォトダイオードアレイなどである。また、当該の検出器は、検出された放射および相応の情報を、記憶装置またはコンピュータまたは他の制御ユニットへ供給できるように構成されている。

試料：本発明における"試料"は、光学的検出、例えば光励起およびこれに続く光読み出しによって検出できる１つまたは複数の成分を含むすべての物質を云う。例えば、生化学物質を本発明において分析することができる。さらに、当該の"試料"は、分子診断の分野、医療診断の分野、遺伝子およびタンパク質表現配列の分野で利用可能な物質である。検出すべき試料成分は特にはＰＣＲによって複製された何らかの物質である。

周波数／波長：本発明における"周波数"および"波長"は、特にことわりのないかぎり、電磁的な周波数および電磁的な波長を意味する。

本発明は、少なくとも２つの異なる試料チャンバ中の複数の試料成分を検出する光多重システムに関する。本発明の光多重システムは第１の光学ユニットと第２の光学ユニットとを有しており、前記第１の光学ユニットおよび前記第２の光学ユニットは空間的に相互に離隔されており、前記第１の光学ユニットは第１の光源および第１の検出器を含み、前記第２の光学ユニットは第２の光源および第２の検出器を含む。さらに、本発明の光多重システムは、少なくとも２つの試料チャンバを各光学ユニットに対応する位置で受け取り、前記第１の光源および前記第２の光源によってそれぞれ少なくとも１つの試料チャンバを照明し、かつ、前記第１の検出器および前記第２の検出器によってそれぞれ少なくとも１つの試料チャンバからの光を受信する。これは、第１の光源が第１の光学ユニットの位置にあるチャンバを照明し、第２の光源が第２の光学ユニットの位置にあるチャンバを照明し、第１の検出器が第１の光学ユニットの位置にあるチャンバからの光を受信し、第２の検出器が第２の光学ユニットの位置にあるチャンバからの光を受信することを含む。さらに、前記第１の光学ユニットおよび前記第２の光学ユニットを少なくとも２つの試料チャンバに対して相対運動させるように構成されている。言い換えれば、第１の光学ユニットおよび第２の光学ユニットは、受け取り位置で２つのチャンバに対する相対運動が制御ユニットによって制御されるように、当該の光多重システムに取り付けられている。したがって、光多重システムは、少なくとも２つのチャンバが自身に挿入された後に相対運動が行われるように配置されている。

当該の光多重システムによれば、例えば、空間的に離隔された少なくとも２つの異なる試料チャンバ中の病原体などの複数の成分を同時に検出することができる。言い換えれば、少なくとも２つの異なる試料チャンバを２つの異なる光源の光で同時に照明し、光励起されて再放出されたそれぞれの試料光を相応の検出器によって同時に検出するのである。

これにより、試料チャンバが光源から各検出器までの光の通過経路に配置され、試料の光送信測定が可能となる。また、試料または試料中の各成分に由来する光を、ミラーまたは他の光学素子によって偏向して測定を行うこともできる。

光学ユニットは例えば励起後の優先方向を有さない蛍光を検出するので、検出器は、試料チャンバが受け入れ位置にある場合には、所望に応じて、試料チャンバの周囲の任意の位置に配置できる。

ここで、各光学ユニットは、試料を光学的に励起し、試料からの特定の数種の周波数の光（すなわち特定の数種の色の光）を光学的に読み出すように最適化されている。詳細には、第１の光源は第１の周波数の光を放射して第１の試料中の第１の染料または第１の蛍光色素を励起するのに適しており、第１の検出器は当該の第１の試料で励起された第１の染料または第１の蛍光色素から放出された第２の周波数の光を検出するのに適している。また、第２の光源は第３の周波数の光を放射して第２の試料中の第２の染料または第２の蛍光色素を励起するのに適しており、第２の検出器は当該の第２の試料で励起された第２の染料または第２の蛍光色素から放出された第４の周波数の光を検出するのに適している。

言い換えると、本発明の光多重システムは、１人のユーザが種々の染料または種々の蛍光色素によってマーキングされた複数の試料を１つの測定装置内で同時に用いて、いわゆる"色多重"を行えるようにする。これにより、１つの試料中の複数の病原体を複数の検出器によって同時に検出することができる。ここでは、１人の患者の試料が例えば２つに分割されて２つの試料チャンバに充填される。

また、本発明によれば、複数の試料チャンバ中の種々のプライマーのセットを含む複数のＰＣＲ量に対する、いわゆる"空間多重"も可能となる。さらに、複数の検出器によって、１つの試料中に存在する複数の病原体を同時に検出することもできる。

言い換えれば、光多重システムは、試料チャンバ中のＰＣＲプローブの種々の蛍光スペクトルを監視することにより、それぞれ異なるＰＣＲ反応を検出できる複数の光学ユニットを含む光検出システムである。ここで、第１の光学ユニットおよび第２の光学ユニットは、それぞれが１つの試料チャンバに光学的にアクセスできるように配置される。このようにすれば、全ての光学ユニットが複数のチャンバにおけるそれぞれのＰＣＲ反応を同時に監視でき、空間多重が達成される。色多重は２つのチャンバに対して２つの光学ユニットを相対運動させることにより実現されるが、これは、第１の光学ユニットおよび第２の光学ユニットに異なる光源および異なる検出器が設けられ、少なくとも２つの試料中の異なる染料または異なる蛍光色素を光学的に励起して読み出せるようになっていることによる。

ただし、所望に応じて、第１の光学ユニットおよび第２の光学ユニットに同じ光源および／または同じ検出器を設けることもできる。また、光多重システムが、第１の光学ユニットおよび第２の光学ユニットを少なくとも２つの試料チャンバに対して相対運動させる１つの制御ユニットを含んでもよい。

なお、光多重システムが２つより多い複数の試料チャンバを有してもよいことに注意されたい。例えば、３つ以上の試料チャンバが可能である。さらに、２つより多い複数の光学ユニット、例えば、３つ以上の光学ユニットを設けることもできる。ここで、有利には、光学ユニットの数は試料チャンバの数に対応する。しかし、試料チャンバの数より多い光学ユニットを設けてもよいし、光学ユニットの数より多い試料チャンバを適用してもよい。

さらに、本発明の実施例では、特にことわりのないかぎり、相対運動とは第１の光学ユニットおよび第２の光学ユニットを定置の２つの試料チャンバに対して運動させることによって行われてもよいし、２つの試料チャンバを定置の光学ユニットに対して運動させることによって行われてもよいし、あるいは、まず光学ユニットを運動させ、ついで試料チャンバを運動させることによって行われてもよい。

少なくとも２つの試料チャンバを光多重システムへ挿入することにより、光多重システムは少なくとも２つの試料チャンバを各光学ユニットに対応する所定の位置で受け取る。これは、光学測定がそれぞれの光学ユニットによってそれぞれの試料チャンバに対して行われることを意味する。例えば、ＰＣＲカートリッジが固定された試料ホルダは、２つ以上の試料チャンバが各光学ユニットの正面に位置決めされ、かつ、各光学ユニットが１つの試料チャンバに光学的にアクセスできるよう、光多重システムへ挿入される。よって、ＰＣＲチャンバとして形成された試料チャンバにより、所望の値を有する光伝送路への光学的アクセスが可能となる。なお、ＰＣＲチャンバの材料として、第１の光源および第２の光源の励起波長で自己蛍光を生じないかまたは生じても所望の低い値となる材料が用いられる。ＰＣＲチャンバへの光学的アクセスは、例えば、箔状のポリプロピレンなどの光学的に透明な材料から成るＰＣＲチャンバの少なくとも一部によって実現される。

さらに、光学ユニットは、所望に応じて、光源から放出された光子あるいは励起された試料から放出された光子を案内するために、光バンドパスフィルタ、レンズ、ダイクロイックミラー、あるいは、他の光学素子を含むことができる。

本発明の光多重システムは、少なくとも２つの異なる光波長を用いて空間的に相互に離隔した２つの試料チャンバに対する少なくとも２つの測定を同時に行うことができる。当該の光多重システムでは、第１の測定後に装置が回転し、第１の位置から第２の位置へ移動して、第２の測定が開始される。第２の位置では、各試料チャンバが光学的に励起され、第１の位置での光波長とは異なる光波長で読み出される。

全ての光学ユニットが定置の試料チャンバの周囲を同時に回転する場合、デバイスが電気リードおよび／または電子リードを、回転の影響を受けないよう、光多重システムの周辺、例えば制御ユニットから光源および検出器へ案内する。よって、本発明の実施例では、光多重システムの外部から制御される能動光学部品を回転するシステムへ組み込まなければならないという問題が回避される。

また、すべての光学ユニットを含む光学ヘッドの高精度な回転運動が必要な場合、回転のたびに、各光学ユニットから放出される光子の伝搬経路が各試料チャンバまたは各ＰＣＲチャンバへの光学的なアクセスにマッチングされる。

本発明の光多重システムは多数の測定サイクルを行えるように構成されており、光学ヘッドの回転に関する持続性の要求も満足しなければならない。上述した実施形態はこれらすべての要求を満足する。

高速かつ効率的な検出により、１つまたは複数の試料中の複数の病原体を検出することができる。

リアルタイムＰＣＲでは、ＰＣＲプロトコルを実行するために、各試料チャンバに対するヒータが設けられる。制御ユニットは、種々の試料チャンバ内の種々のＰＣＲ反応を制御し、各試料チャンバでの光励起と各試料チャンバからの光読み出しとを同時に行い、試料中の１つまたは複数の病原体の量を求める。当該の定量化プロセスは検出された蛍光信号をさらにパーソナルコンピュータまたは制御ユニットによって処理して行われる。

本発明において、或る光学ユニットが第１の位置から第２の位置へ移動するというのは、第１の光学ユニットが第１の処理チャンバから第２の処理チャンバへ移動し、同時に、第２の光学ユニットが第３の処理チャンバから第４の処理チャンバへ移動することを意味する。本発明の重要な特徴は、種々の光学ユニットが同時に種々の試料チャンバの分析を行い、特に各光学ユニットが相対運動による位置変化によって連続的に各処理チャンバに応対するということである。

前述したように、光学ユニットを回転させることに代えて処理チャンバのセットを回転させることもできる。重要なのは、光学アセンブリと処理チャンバとが相対的に運動するということである。

言い換えれば、１回の検出サイクルが終わった後、或る光学ユニットが次の位置へ例えば回転により移動し、これにともなって、少なくとも幾つかの光学ユニットが先行のチャンバから次のチャンバへ移動する。ついで、新たな位置で再び１つの色素が識別される。つまり、第１の光学ユニットの箇所にあったチャンバについて云うと、まずこの第１の光学ユニットによって第１の色素が検出され、次に第２の光学ユニットの箇所へ移動され、この第２の光学ユニットによって第１の色素とは異なる第２の色素が検出される。

基本的には、１つのカートリッジ内の１つの試料から複数の異なる色が放出されうる。例えば、４色から６色の色が各試料チャンバから放出される。ここで、各光学ユニットはそれぞれ１つの色を検出するように配置されるとよい。なお、色の数および種類は任意である。

有利には、光多重システムは、相対運動の実行中、光源および／または検出器に対する電気リードが相対運動の回転軸線を中心として巻き取られるように構成されている。

本発明の第１の実施例の光多重システムを示す図である。 本発明の光多重システムにおいて用いられる光学ユニットの第１の実施例を示す図である。 本発明の第２の実施例の光多重システムを示す図である。 本発明の光多重システムにおいて用いられる光学ユニットの第２の実施例を示す図である。 本発明の方法のフローチャートである。

本発明の有利な実施形態では、光多重システムは、さらに、相対運動を生じさせるように構成されたモータを有する。ここで、モータは、相対運動を可能にする機械的技術、電気的技術、電気機械的技術および／または磁気的技術を含むデバイスである。さらに、当該のモータによる相対運動を開始させるように構成された制御ユニットが設けられる。

本発明の別の有利な実施形態では、相対運動は回転運動である。

カートリッジは光多重システムの一部であってもよいが、有利には、試料チャンバおよび他のユニットを担持する円板状のホルダを含む。試料チャンバ例えばＰＣＲチャンバはホルダに固定され、このホルダが光学ユニットを含む光多重システムの所定の部分へ組み込まれる。当該の部分を以下では光学ヘッドと称する。複数の光学ユニットが光学ヘッドに円形に配置される。この実施形態では、ホルダ上に配置された各試料チャンバ間の距離は光学ヘッド上に固定された各光学ユニット間の距離に等しい。よって、相対運動が生じると、各試料チャンバは、光学ヘッドの部分回転によって、それぞれに対応する光学ユニットの正面に位置することになる。ここで、部分回転とは、前方または後方に３６０゜より小さいｘ゜の位置変化をともなう回転を意味すると理解されたい。言い換えれば、全ての光学ユニットを有する光学ヘッドを連続的に回転させることにより、各試料チャンバが順に励起されてそれぞれ対応する光学ユニットによって順に読み出されるのである。種々の試料中の種々の染料または種々のプライマー、種々の波長あるいは種々の検出器を用いることにより、空間多重と色多重との双方が達成される。このため、本発明の光多重システムによれば、１つの試料を数個の試料チャンバに分割充填して、高速かつ低コストに複数の病原体を識別できる。

本発明の別の有利な実施形態によれば、光多重システムは、さらに、第１の光学ユニットおよび第２の光学ユニットが固定される回転フレームを有しており、モータはこの回転フレームを回転させることにより相対運動を生じさせる。

言い換えれば、相対運動は、少なくとも２つの光学ユニットが同時に運動するように行われる。

回転フレームは例えば多角形状の上方回転プレートと例えば円形状の下方回転プレートとを含む。なお、上方回転プレートと下方回転プレートとは各光学ユニットがそのあいだに固定されるように配置される。さらに、上方回転プレートおよび下方回転プレートは、光源および検出器に対する電気リードが上方回転プレートを通って案内されるように配置される。

また、可撓性の帯状の電気リードが、回転運動中は回転軸線に対して垂直に延在し、後に回転軸線を中心として巻き取られるように構成されていてもよい。この帯状の電気リードと、種々の光源および種々の検出器を制御する制御手段とが回転フレームに接続される。モータによって形成された回転により、各試料チャンバは、最適に励起され、各光学ユニットによって最適に読み出される。例えば４つの試料チャンバが設けられる場合、各試料チャンバがそれぞれ第１から第５の光学ユニットの正面に１回ずつ位置するには、４回の回転が必要である。例えば１２個の光学ユニットが存在する場合、各光学ユニットによって各試料チャンバに対応するには１１回の回転が必要である。

試料チャンバおよび光学ユニットを円形に配置することにより、光多重システムの構造全体のスペースが低減されるという利点が得られる。

また、選択的に、運動によって、光学ユニットが周に沿ったいずれかの位置に連続的に達するように、光多重システムを構成してもよい。言い換えれば、運動の前後で或る光学ユニットが取る２つの位置のなす角度はどの程度であってもよい。所望に応じて、光学ユニットが運動によって周に沿った特定の停止位置にのみ位置するように、光多重システムを構成してもよい。

本発明の別の有利な実施形態によれば、相対運動は線形運動である。所望に応じて、本発明の相対運動は、種々の試料チャンバを光学ユニットによって線形走査させるための、線形運動であってよい。

本発明の別の有利な実施形態によれば、光多重システムは、さらに、少なくとも１つの試料チャンバに熱サイクルを生じさせる少なくとも１つのヒータを有する。

ヒータは複数設けられてもよく、すなわち、１つの試料チャンバ当たり複数のヒータが設けられてもよいことに注意されたい。よって、本発明の光多重システムは、完全なＰＣＲプロトコルを実行して、種々の試料チャンバ内で複数の完全なＰＣＲ反応を生じさせることができる。ＰＣＲプロトコルは制御ユニットへ供給されるので、制御ユニットはヒータを介してそれぞれの試料チャンバでの熱発生を制御することができる。こうして、光励起と光読み出しとが各光学ユニットでそれぞれ独立かつ所望に応じて同時に行われ、リアルタイムＰＣＲ測定が実現される。

言い換えれば、本発明の光多重システムは、ポリメラーゼ連鎖反応を生じさせる熱サイクル装置と、光学ヘッドと試料チャンバとの相対回転運動により増幅された目標ＤＮＡ分子を定量化する完全な光読み出し装置とを一体として含むものである。

本発明の別の有利な実施形態によれば、ヒータは第１の光源および第２の光源のうち少なくとも一方に対して光学的に透明である。

このため、当該のヒータは熱的要求および光学的要求の双方を満足する。例えば、ヒータの透光率は、波長３００ｎｍから８００ｎｍまでのスペクトル範囲に対して、８０％より大きい。また、当該のヒータの材料は、波長３００ｎｍから８００ｎｍまでの励起に対してほとんど自動蛍光を生じない。ただし、ヒータの光学特性はこれとは異なるものであってもよい。言い換えれば、ヒータは種々の光源で使用される波長に光学的に適合するように選択される。

本発明は、さらに、試料分析用分子診断装置に関する。この分子診断装置は、前述した各実施形態の光多重システムを含む。

分子診断装置は、試料、例えば液体試料を、試料リードを介して受け取るように構成されている。また、分子診断装置は、試料の加熱・冷却・混合その他の処理を行う種々の機能部を有している。光多重システムを利用するかまたはこれを制御することにより、分子診断装置は例えばポリメラーゼ連鎖反応を含む所定の試料の完全な測定プロセスを実行する。このようにして、複数の試料成分を検出する完全に自動化された装置が実現され、前述した空間多重と色多重とが組み合わされるという利点が得られる。なお、このことは後にも説明する。

本発明の別の有利な実施形態によれば、ヒータによって、２つのチャンバ内でそれぞれ異なるＰＣＲ反応を生じさせ、光学ユニットによって各ＰＣＲ反応での種々の生成物を検出することができる。

言い換えれば、本発明の分子診断装置では色多重および空間多重が可能となり、リアルタイムＰＣＲを考慮した完全なサンプルインアンサーアウトシステムが実現される。つまり、システムは、ＰＣＲプロトコルを実行し、種々のヒータによる各試料チャンバでの種々の温度経過を形成して、所望のＤＮＡ増幅を引き起こすことができる。同時に、当該のシステムは、光学ユニットによって、各試料の種々の病原体の有無を光学的に検査することができる。したがって、ＰＣＲを光学的に検査しているあいだ、特定の化学反応が、上述したようなそれぞれ異なる光学特性を有する光学ユニットによって、検出される。こうしたリアルタイムＰＣＲシステムは、空間的に分離された複数の試料チャンバの複数の病原体を同時に励起して検出できる。これは、光学ユニットを次の試料チャンバの位置へ回転させ、続いて、当該の試料チャンバを別の光波長で走査する機能部が設けられているからである。この空間多重および色多重によって、高速かつ効率的なリアルタイムＰＣＲシステムが実現される。

つまり、サンプルインアンサーアウトシステムとして、光検出システムにおいて、ＰＣＲをリアルタイムで監視するために、少なくとも１つのヒータによって試料チャンバの加熱および冷却が行われ、反応の各ステップで必要な温度が達成される。ここではペルチエ効果が利用され、電流を反転させることによって試料チャンバの加熱および冷却の双方が行われる。この場合、ＰＣＲは、例えば２０回から４０回ほどの温度変化を反復する一連のサイクルを含む。各サイクルは２回から３回の離散的な温度の刻み幅を含むこともある。

本発明は、さらに、少なくとも２つの異なる試料チャンバ中の複数の試料成分の検出方法に関している。この方法は、第１の光源および第１の検出器を含む第１の光学ユニットを用意するステップと、第２の光源および第２の検出器を含む第２の光学ユニットを用意するステップと、制御ユニットを用意し、前記第１の光学ユニットと前記第２の光学ユニットとを空間的に離隔して配置し、１つの光検出システムの各要素として物理的に結合するステップと、前記第１の試料チャンバを前記光検出システムへ挿入して、前記第１の試料チャンバを前記第１の光学ユニットに位置合わせするステップと、前記第２の試料チャンバを前記光検出システムへ挿入して、前記第２の試料チャンバを前記第２の光学ユニットに位置合わせするステップと、前記第１の光学ユニットにより前記第１の試料チャンバの第１の光学測定を行うステップと、前記第２の光学ユニットにより前記第２の試料チャンバの第２の光学測定を行うステップと、前記制御ユニットにより、前記第１の光学ユニットおよび前記第２の光学ユニットを２つの試料チャンバに対して相対的に運動させ、前記第１の試料チャンバが前記第２の光学ユニットに位置合わせされ、前記第２の試料チャンバが前記第１の光学ユニットに位置合わせされるステップとを有する。

本発明の方法では、種々の蛍光色素を１つのＰＣＲチャンバ内の種々の病原体または同じ病原体の種々のＤＮＡ配列（ＤＮＡ領域）に対するＰＣＲ反応のマーキングに用いる色多重と、種々のＰＣＲ反応に対して複数のＰＣＲチャンバを用いる空間多重とが組み合わされる。色多重は、種々の蛍光スペクトルを励起および検出することのできる種々の光学ユニットによって達成される。空間多重は光学ユニットを１つの反応チャンバから次の反応チャンバへ移動させることにより達成される。このようにして効率的な空間多重が達成され、時間単位当たりで検査すべき病原体の数を増大させることができる。

第１の光学ユニットと第２の光学ユニットとは空間的に分離されているので、これら２つの光学ユニットは光源から試料を介して検出器へいたるそれぞれ完全に個別の分離された光路を有する。

さらに、光多重システムへの各チャンバの挿入および位置合わせは、各チャンバとこれに対応する各光学ユニットとのあいだの光学的アクセスが形成されることによって達成される。このようにして、全ての光学ユニットは、それぞれ別個に、しかし同時に、種々の試料チャンバ中の種々のＰＣＲ反応を監視することができる。光学ユニットと試料チャンバとのあいだの相対運動が生じた後、各試料チャンバは種々の光学ユニットによって走査され、ユーザが試料を分析できるよう、病原体などの種々の試料成分を定性的かつ定量的に検出する。

第１のチャンバで第１の光学ユニットによる第１の光学測定が行われ、第２のチャンバで第２の光学ユニットによる第２の光学測定が行われた後、回転などの相対運動が行われ、第２の定位置が達成される。すなわち、第１の光学ユニットが第２の試料チャンバに位置合わせされ、第２の光学ユニットが第１の試料チャンバに位置合わせされる。

本発明の別の有利な実施形態によれば、さらに、第２の光学ユニットにより第１の試料チャンバの第３の光学測定が行われ、第１の光学ユニットにより第２の試料チャンバの第４の光学測定が行われる。

第１の光学測定および第２の光学測定が終了すると、第２の光学ユニットによる第１のチャンバでの第３の光学測定が行われ、第１の光学ユニットによる第２のチャンバでの第４の光学測定が行われる。この実施形態では、第１の試料チャンバおよび第２の試料チャンバ中の、例えば他の蛍光色素を含む異なるプライマーを利用することができる。しかし、本発明の別の実施形態として、蛍光体または蛍光色素をプライマーにではなく試料またはプローブに添加することもできる。

例えば、第１の光学ユニットが赤色光を発光し、赤色光に感応するセンサを備えており、第２の光学ユニットが青色光を発光し、青色光に感応するセンサを備えているとすると、それぞれ異なる試料を含む１つまたは複数の試料チャンバを光学的に走査して種々の成分を同定することができる。識別結果に基づいて各成分の定量化も可能である。

本発明の別の有利な実施形態では、少なくとも１つのヒータが用意され、このヒータにより少なくとも１つの試料チャンバに熱サイクルが形成される。

言い換えれば、この実施形態では、増幅された目標ＤＮＡ分子をリアルタイムで光学的に読み出すことを含む完全なＰＣＲプロトコルを表しており、これにより、ＤＮＡ分子の定量測定を検出器の検出結果に基づいて行うことができる。

本発明の別の有利な実施形態によれば、ＰＣＲプロトコルが制御ユニットへ供給され、この制御ユニットによりＰＣＲプロトコルに基づいてヒータが制御され、試料チャンバ内にＰＣＲ反応が引き起こされる。

ここで、有利には、第１の光学測定と第２の光学測定とが同時に行われる。

したがって、１試料当たりのリアルタイムＰＣＲ測定の速度が増大し、試料を分割して複数の試料チャンバに充填することができる。本発明によれば、試料中の病原体を検出するのにかかる時間が短縮される。

本発明は、また、汎用コンピュータ上で使用され、上述した複数の試料成分の検出方法の各ステップを汎用コンピュータに実行させることを特徴とするコンピュータプログラムエレメントに関する。

本発明は、さらに、上述したコンピュータプログラムエレメントを記憶していることを特徴とするコンピュータで読み出し可能な媒体に関する。

本発明では、上述した試料成分の検出方法の各ステップをコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムエレメントをダウンロードできる媒体に関していてもよい。

上述した各実施形態は、光多重システム、複数の試料成分の検出方法、コンピュータプログラムエレメント、コンピュータで読み出し可能な媒体のいずれにも当てはまる。各実施形態を任意に組み合わせることも可能であるが、そのことによる相乗効果についてはここでは詳しく述べない。

また、本発明の方法は上述したステップ順序で実行すると有利であるが、当該のステップ順序は本発明に必須ではなく、本発明はこれに限定されない。上述したのとは異なる各ステップの組み合わせおよび順序も可能である。

実施例の説明
以下に、本発明の特徴および利点を図示の実施例に則して詳細に説明する。ただし、実施例は説明のためのものであり、本発明を限定しない。

図中、同じ要素または同じ機能を有する要素には同じ参照番号を付してある。なお、図示は説明のためのものであり、縮尺通りに描かれていないことに注意されたい。

図１には、それぞれ異なる４つの試料チャンバ１０１−１０４内の病原体などの複数の試料成分を検出するための光多重システム１００が示されている。光多重システム１００は、空間的に相互に離隔して配置された第１の光学ユニット１０６と第２の光学ユニット１０７とを有している。第１の光学ユニット１０６は第１の光源１０８および第１の検出器１０９を有しており、第２の光学ユニット１０７は第２の光源１１０および第２の検出器１１１を有している。また、光多重システム１００は、各光学ユニットに対応する各位置で４つの試料チャンバ１０１−１０４を受け取るように構成されている。この受け取りは図１では矢印１２７で表されている。例えば、図示されていないモータが光多重システム１００に接続されており、このモータによって相対運動１１３が形成される。この実施例では、当該の相対運動は光学ユニット１０６，１０７，１１４，１１８，１１９，１２０の回転運動である。つまり、各光学ユニットは定置の試料ホルダ１２５の周に沿って回転する。

１つの試料チャンバ内の試料から、例えば４つまたは６つの異なる色すなわち光波長が放出されうる。ただし、色（光波長）の数は異なっていてもよい。所望に応じて、１つの試料チャンバ当たり１つの色のみが放出されるようにすることもできる。

図１には、２つのヒータ１１６が示されている。これらのヒータ１１６は、試料チャンバ１０３内の少なくとも１つの試料に熱サイクルを発生させるために設けられている。ここでのヒータは概略的にしか示されていないが、光多重システム１００は、４つの試料チャンバ１０１−１０４においてリアルタイムＰＣＲプロセスを生じさせることのできる完全な熱サイクル装置である。このために、図示されていないが、所定のＰＣＲプロトコルが制御ユニットへ供給される。

図１の光多重システム１００は、感染症を自動的に検出するための分子診断装置である。ここでは、リアルタイムＰＣＲを利用したＤＮＡ検出技術が分子診断装置として実現されている。当該の分子診断装置には色多重手段および空間多重手段が統合されて内在しているので、ユーザは１つの患者試料中の複数の病原体を識別することができる。

ＰＣＲプロセスまたは他のプロトコルプロセスのあいだ、試料が試料チャンバに充填されていると有利であるが、試料チャンバを空にすることもできる。このようにすれば、試料チャンバをさらに活用することができる。

図２には、図示されていない光多重システム１００において用いられる光学ユニット１０６の実施例が示されている。ここで、第１の光学ユニット１０６は第１の光源１０８を含むが、この光源はＬＥＤであってよい。ＬＥＤ１０８からの光はレンズ２００によってコリメートされて準平行ビームとなり、励起フィルタ２０１を通過した後、ダイクロイックミラー２０２およびレンズ２０３を通過してさらに伝搬し、ＬＥＤからの光子として試料チャンバ１０１上へフォーカシングされる。当該の光路は、図２の第１の光路２０６である。図２の第２の光路２０７は、試料チャンバ１０１内の試料のＰＣＲ蛍光によって再放出された光子の光路であり、まずレンズ２０３で集光され、ダイクロイックミラー２０２で反射された後、検出フィルタ２０４を通過し、レンズ２０５によって検出器１０９へフォーカシングされる。

図３には、４つの光学ユニット１０６，１０７，１１８，１２０を有する光多重システム１００の実施例が示されている。この場合、４つの試料チャンバを受け取ることのできるホルダ１２５も示されている。また、ここには、各光学ユニットを各試料チャンバの周囲で回転させる回転フレーム１１５も示されている。

図４には、回転によって上述した色多重および空間多重を達成することのできる光学ユニット１０６の別の実施例が示されている。試料１２６は、第１の光源１０８からの光によって照明される。ここで、第１の光源１０８からの光は、レンズ２００によってフォーカシングされ、フィルタ２０１でフィルタリングされ、ダイクロイックミラー２０２で反射されて、試料１２６に達する。試料から再放出された光は、ダイクロイックミラー２０２を通過して伝搬し、検出フィルタ２０４を通過した後、レンズ２０５によって検出器１０９へフォーカシングされる。当該の検出器１０９は、試料１２６が第１の光源１０８の特定の波長の光によって照明された場合に、再放出される波長の光に感応するように構成されている。

図５には、本発明の方法の実施例のフローチャートが示されている。本発明の方法は次の各ステップを有する。まず、ステップＳ１で、第１の光源および第１の検出器を含む第１の光学ユニットが用意され、ステップＳ２で、第２の光源および第２の検出器を含む第２の光学ユニットが用意される。ステップＳ３では、制御ユニットが用意され、ここで、第１の光学ユニットと第２の光学ユニットとが空間的に離隔して配置され、１つの光検出システムの要素として物理的に結合される。ついで、ステップＳ４で、第１の試料チャンバが光検出システムへ挿入され、ステップＳ５で、当該の第１の試料チャンバが第１の光学ユニットに位置合わせされる。これと同時にまたはこれに続いて、ステップＳ６で、第２の試料チャンバが光検出システムへ挿入され、ステップＳ７で、当該の第２の試料チャンバが第２の光学ユニットに位置合わせされる。さらに、ステップＳ８で、第１の光学ユニットにより第１の試料チャンバの第１の光学測定が行われ、これにより、ＰＣＲプロセスを経た試料中の複数の病原体が光学的に検出される。これと同時にまたはこれに続いて、ステップＳ９で、第２の光学ユニットにより第２の試料チャンバの第２の光学測定が行われる。第１の光学測定および第２の光学測定が終了した後、ステップＳ１０で、制御ユニットにより、第１の光学ユニットおよび第２の光学ユニットが２つの試料チャンバに対して相対的に運動される。この相対運動により、各試料チャンバの位置が変更され、試料と光学ユニットとの新たな対が形成される。つまり、相対運動は、ステップＳ１１で第１の試料チャンバが第２の光学ユニットに位置合わせされ、ステップＳ１２で第２の試料チャンバが第１の光学ユニットに位置合わせされるように行われる。

当業者は、本願の発明の詳細な説明、特許請求の範囲、図面を読めば、本発明の実施例に対する修正を行えるはずである。また、"有する""含む"等の語は明記された以外の要素を含むことを排除するものではなく、"所定の""或る"等の語は複数の要素を含むことを排除するものではない。

特許請求の範囲に記載された構成またはステップは、１つのプロセッサまたは１つのユニットによって実行することができる。或る手段に関連して述べた効果は、各手段の組み合わせに応じて、これらの効果も組み合わされて得られることを排除するものではない。さらに、光記憶媒体などの適切な媒体に記憶されたコンピュータプログラム、あるいは、インタネットまたは有線通信装置または無線通信装置を介して配信されたコンピュータプログラムは、ハードウェアの一部としてまたはハードウェアと協働して用いられる。

なお、特許請求の範囲に付した参照番号は発明を限定するものではない。

Claims (15)

1. 少なくとも２つの異なる試料チャンバ（１０１−１０４）中の複数の試料成分を検出する光多重システム（１００）であって、
   当該の光多重システムは第１の光学ユニット（１０６）と第２の光学ユニット（１０７）とを有しており、前記第１の光学ユニットおよび前記第２の光学ユニットは空間的に相互に離隔されており、前記第１の光学ユニットは第１の光源（１０８）および第１の検出器（１０９）を含み、前記第２の光学ユニットは第２の光源（１１０）および第２の検出器（１１１）を含み、
   当該の光多重システムは、
   少なくとも２つの試料チャンバを各光学ユニットに対応する位置で受け取り、前記第１の光源および前記第２の光源によってそれぞれ少なくとも１つの試料チャンバを照明し、かつ、前記第１の検出器および前記第２の検出器によってそれぞれ少なくとも１つの試料チャンバからの光を受信し、
   前記第１の光学ユニットおよび前記第２の光学ユニットを少なくとも２つの試料チャンバに対して相対運動させる（１１３）
   ように構成されている
   ことを特徴とする光多重システム。
2. 当該の光多重システムは、さらに、前記相対運動を生じさせるように構成されたモータ（１１４）を有する、請求項１記載の光多重システム。
3. 前記相対運動は回転運動である、請求項１または２記載の光多重システム。
4. 当該の光多重システムは、さらに、前記第１の光学ユニットおよび前記第２の光学ユニットが固定される回転フレーム（１１５）を有しており、前記モータは該回転フレーム回転させることにより前記相対運動を生じさせる、請求項２記載の光多重システム。
5. 前記相対運動は線形運動である、請求項１または２記載の光多重システム。
6. 当該の光多重システムは、さらに、少なくとも１つの試料チャンバに熱サイクルを生じさせる少なくとも１つのヒータ（１１６）を有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の光多重システム。
7. 前記ヒータは前記第１の光源および前記第２の光源のうち少なくとも一方に対して光学的に透明である、請求項６記載の光多重システム。
8. 請求項１から７までのいずれか１項記載の光多重システムを含む
   ことを特徴とする試料分析用分子診断装置。
9. 少なくとも２つの異なる試料チャンバ中の複数の試料成分の検出方法であって、
   第１の光源および第１の検出器を含む第１の光学ユニットを用意するステップ（Ｓ１）と、
   第２の光源および第２の検出器を含む第２の光学ユニットを用意するステップ（Ｓ２）と、
   制御ユニットを用意し、前記第１の光学ユニットと前記第２の光学ユニットとを空間的に離隔して配置し、１つの光検出システムの各要素として物理的に結合するステップ（Ｓ３）と、
   第１の試料チャンバを前記光検出システムへ挿入して（Ｓ４）、前記第１の試料チャンバを前記第１の光学ユニットに位置合わせする（Ｓ５）ステップと、
   第２の試料チャンバを前記光検出システムへ挿入して（Ｓ６）、前記第２の試料チャンバを前記第２の光学ユニットに位置合わせする（Ｓ７）ステップと、
   前記第１の光学ユニットにより前記第１の試料チャンバの第１の光学測定を行うステップ（Ｓ８）と、
   前記第２の光学ユニットにより前記第２の試料チャンバの第２の光学測定を行うステップ（Ｓ９）と、
   前記制御ユニットにより、前記第１の光学ユニットおよび前記第２の光学ユニットを２つの試料チャンバに対して相対的に運動させ（Ｓ１０）、前記第１の試料チャンバが前記第２の光学ユニットに位置合わせされ（Ｓ１１）、前記第２の試料チャンバが前記第１の光学ユニットに位置合わせされる（Ｓ１２）ように運動を生じさせるステップと
   を有する
   ことを特徴とする複数の試料成分の検出方法。
10. さらに、前記第２の光学ユニットにより前記第１の試料チャンバの第３の光学測定を行うステップ（Ｓ１３）と、前記第１の光学ユニットにより前記第２の試料チャンバの第４の光学測定を行うステップ（Ｓ１４）とを有する、請求項９記載の複数の試料成分の検出方法。
11. さらに、少なくとも１つのヒータ（１１６）を用意するステップ（Ｓ１５）と、該ヒータにより所定の試料チャンバ内に熱サイクルを生じさせるステップ（Ｓ１６）とを有する、請求項９または１０記載の複数の試料成分の検出方法。
12. さらに、ＰＣＲプロトコルを前記制御ユニットへ供給するステップ（Ｓ１７）と、前記制御ユニットにより該ＰＣＲプロトコルに基づいて前記ヒータを制御して所定の試料チャンバ内にＰＣＲ反応を生じさせるステップ（Ｓ１８）とを有する、請求項１１記載の複数の試料成分の検出方法。
13. 前記第１の光学測定と前記第２の光学測定とを同時に行う、請求項９から１２までのいずれか１項記載の複数の試料成分の検出方法。
14. 汎用コンピュータ上で使用され、請求項９から１３までのいずれか１項記載の複数の試料成分の検出方法の各ステップを該汎用コンピュータに実行させることを特徴とするコンピュータプログラムエレメント。
15. 請求項１４記載のコンピュータプログラムエレメントを記憶していることを特徴とするコンピュータで読み出し可能な媒体。

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